LES TROUS NOIRS

Nous connaissons tous l'univers comme notre poche, puisque nous y avons tous toujours vécu :) En particulier nous savons tous qu'il conserve son unicité jusqu'au plus profond des trous noirs.

 

« Si l'on aborde la question par différents points, la relativité et la théorie des quanta se rencontrent donc dans le fait que toutes deux impliquent la nécessité de regarder le monde comme un tout indivis dans lequel toutes les parties de l'Univers, y compris l'observateur et ses instruments, se fondent et s'unissent en une seule totalité. »
(David Bohm, La plénitude de l'Univers, Le Rocher, 1987)

 

Simulation d'un trou noir
provoquant des distorsions gravitationnelles
devant le Grand Nuage de Magellan
(Illustration : Wikipédia)

 

Les trous noirs sont-ils des trous dans l'espace-temps ?

Les trous noirs sont des objets stellaires dont l'existence n'est encore que théorique, bien qu'ils soient sans doute indirectement observés.

Lorsqu'une étoile a épuisé son combustible, plusieurs évolutions sont possibles, qui dépendent de sa masse. Si la masse de ce qui reste de l'étoile vaut au plus 1,4 fois la masse du Soleil (limite de Chandrasekhar) le principe d'exclusion de Pauli permet aux électrons de s'opposer à leur compression gravitationnelle, ce qui donne une naine blanche, dont la température baisse lentement.

La dégénérescence de la matière des étoiles plus massives (entre une fois et demie et trois masses solaires) va plus loin. Le combustible se raréfie, la pression interne de radiations qui « gonfle » l'étoile ne soutient plus les couches externes, qui s'effondrent plus ou moins brutalement et se dispersent ensuite dans l'espace. Électrons et protons du cœur restant tendent à fusionner et à donner les neutrons d'une « étoile à neutrons ». Cet objet conserve son moment cinétique orbital, mais son rayon diminue considérablement. La rotation très rapide des pulsars s'ensuit.

À partir de trois masses solaires, le champ gravitationnel est si intense qu'il compresse tout dans un diamètre de quelques kilomètres au plus. Un tel gouffre capture et précipite vers sa « singularité » centrale tout ce qui franchit son « horizon de Schwarzschild ». Une vitesse de libération supérieure à celle de la lumière serait nécessaire pour en sortir - d'où la métaphore « trou noir ». La « métrique de Kerr » décrit par ailleurs l'espace-temps d'un trou noir en rotation.

Les trous noirs les plus massifs se situent notamment au centre des galaxies et des quasars. Des micro trous noirs très fugaces se formeraient aussi aux échelles quantiques.

Un nuage de gaz (photo) cache Sagitarius A*, le trou noir central de la Voie Lactée (illustration) (Photo : NASA/CXC/MIT/F.K.Baganoff et al Illustration: NASA/CXC/M.Weiss)

Les trous noirs « s'annihilent à petit feu » à chaque absorption, un peu avant leur horizon, de la seule antiparticule d'une paire particule-antiparticule virtuelles (rayonnement de Hawking). S'ensuit une « évaporation » qui prend alors la forme de particules virtuelles « célibataires » et de photons. Cette émission de photons équivaut à un rayonnement thermique, qui peu à peu épuise l'énergie et la matière des trous noirs.

Ces particules constitutives du rayonnement n'ont jamais été en contact avec l'information dont les trous noirs sont porteurs. Lorsque ce processus d'évaporation est terminé, l'information que les trous noirs engloutissent se néantise-t-elle au lieu de se transformer ? La nature recyclerait tout, partout, tout le temps, sauf dans les trous noirs ? Pourquoi autoriserait-elle un tel gaspillage ? En outre, certains effets deviendraient orphelins de leurs cause néantisée, tandis que certaines causes deviendraient orphelines de leurs effets néantisés. Pas sûr que les lois de la physique restent toujours respectées. Non, tout cela est trop improbable. Il y a sûrement quelque chose que je ne comprends pas...

Simulation d'un trou noir de dix masses solaires depuis un point de vue situé à une distance de 600kms. En arrière plan la Voix Lactée (ouverture focale horizontale de la caméra 90°). (Illustration : Wikipédia)

 

Le voile de la « censure cosmique » levé

Un objet absorbé par un trou noir continue de se dédoubler partout dans le reste de l'univers. Il continue donc d'exercer une action sur les fluctuations quantiques des particules relatives constitutives de ses 2# - 2 autres dédoublements informes. L'univers ne perd pas sa trace. Le cœur d'un trou noir n'est jamais absolument isolé du reste de l'univers.

Cette dépendance dans le sens [objet capturé] vers [2# - 2 autres informités] possède une réciproque :

L'état de l'énergie, de la matière, de l'espace, du temps au centre des trous noirs ne dépend pas seulement de ce qui s'y passe localement. Il dépend aussi de ce qui se passe ailleurs dans l'univers, notamment dans les environnements respectifs des 2# - 2 dédoublements externes de la matière engloutie. C'est-à-dire que même les états les plus effondrés de la matière subissent des fluctuations non locales.

On peut imaginer qu'une mousse quantique singulière fluctue au fond des trous noirs. Sa pression empêche le centre de s'effondrer infiniment et elle surmonte ainsi des énergies fantastiques. Elle transforme l'information absorbée par le trou noir, qui ne se néantise donc pas. Puisque cette information subsiste, elle peut s'échapper des trous noirs par les fluctuations quantiques de ses dédoublements externes. En interne, comme en externe, l'information se transforme, elle ne se néantise pas.

La mousse singulière au centre des trous noirs débarrasse les calculs décrivant la singularité centrale d'un infini gênant. Cette singularité n'est pas infiniment petite, la gravitation n'y est pas infinie et le temps n'y est pas nul. Plus un champ gravitationnel est intense en effet et plus le temps ralentit par rapport à tout référentiel extérieur à ce champ. À l'intérieur des trous noirs le temps relatif s'approche donc de zéro de façon asymptotique, sans jamais atteindre zéro. Si nous pouvions voir de l'extérieur une particule tomber à l'intérieur d'un trou noir, sa chute ralentirait indéfiniment sans pour autant s'arrêter. Si nous cherchons à détecter des fluctuations quantiques aux causes non locales, qui proviennent du centre des trous noirs, il nous faut donc paradoxalement les observer parmi les plus lentes, les plus « figées ».

 

Les rayons cosmiques de haute énergie

Les dédoublements plus ou moins informes d'événements particulièrement brutaux expliquent au moins en partie l'existence de rayons cosmiques exceptionnellement puissants, dont l'énergie est supérieure à 10²⁰ électronvolts. L'énergie d'une seule particule est alors comparable à celle qui est nécessaire pour claquer violemment la portière d'une voiture. L'origine d'un quart des « sursauts gamma » reste encore inexpliquée.

D'après les données du satellite Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager en 2005, au moins une cinquantaine de flashs gamma se produisent quotidiennement dans la haute atmosphère. Ils sont extrêmement violents, projetant des électrons à des vitesses proches de celle de la lumière. Certains proviennent peut-être de nuages orageux, mais à ce jour leur origine n'a pas encore reçu d'explication.

• D'une part ces rayons cosmiques inexpliqués ne peuvent pas provenir de très loin, parce que le rayonnement micro-onde de fond cosmique dissiperait sensiblement leur énergie.
• D'autre part ils ne possèdent aucune origine décelable dans notre amas local de galaxies.

Les interactions non séparables, qui se transmettent via les dédoublements des particules, expliquent au moins en partie leur présence. L'un au moins des 2# - 1 dédoublements d'une paire de particules relatives subit un événement violent, par exemple des effets de marée dans le disque d'accrétion d'un trou noir, la fusion de deux étoiles à neutrons, une accélération dans les lignes de forces d'un magnétar ou l'explosion d'une étoile en fin de vie en supernova - quelle que soit par ailleurs la position dans l'univers de cet événement. Un autre dédoublement de cette paire de particules relatives, plus ou moins informe, plus ou moins proche de la Terre, communique alors « en direct » la variation de longueur qu'elle subit dans les turbulences d'un environnement peut-être très lointain. Ce dédoublement lui-même, ou les désintégrations en cascades de particules qu'il provoque dans l'atmosphère terrestre, peuvent alors être détectés comme des rayons cosmiques de haute énergie... « surgis de nulle part ».